22606

بررسي خواص ريزساختاري و الكتروشيميايي ماده LiFePO4 سنتز شده به روش سولوترمال

كارشناسي ارشد

شناسايي و انتخاب مواد مهندسي

1399/6/26

دكتر سيد مرتضي مسعود پناه - دكتر سميه اعلم الهدي

مواد و متالورژي

باتري ليتيوم-يون به عنوان يكي از مهمترين ابزارهاي ذخيره انرژي براي رفع خطرات زيست محيطي ناشي از سوخت‌هاي فسيلي شناخته شده است. يكي از قسمت‌هاي مهم باتريهاي ليتيوم-يون ماده‌ي كاتدي مي‌باشد. از بين مواد مورد استفاده به عنوان ماده‌ي كاتدي، LiFePO4 به دليل پايداري حرارتي و شيميايي و ظرفيت ويژه تئوري بالا (mAh.g-1 170) مورد توجه قرار گرفته است. ماده‌ي LiFePO4 عمدتا توسط روش سولوترمال سنتز مي‌شود. عوامل مؤثر بر بهبود ويژگي‌هاي محصول به دست آمده از فرايند سولوترمال شامل نوع مواد اوليه، حلال، دما، زمان، pH و افزودني‌ها هستند. در اين پژوهش از آمينواسيدهاي مختلف (لايسين، گلايسين و گلوتاميك اسيد) به منظور بررسي مورفولوژي و عملكرد الكتروشيميايي ماده‌ي LiFePO4 استفاده شده است. استفاده از آمينواسيد لايسين در فرايند سولوترمال باعث كوچك شدن ذرات و كاهش عيوب ساختاري در LiFePO4 شد. به دليل وجود يك گروه آمين اضافي در زنجيره‌ي فرعي لايسين، pH محلول افزايش يافته و باعث امكان تشكيل پيوند پپتايد در حين فرايند سولوترمال مي‌شود. بررسي‌ها نشان داد كه كاهش عيوب آنتي سايت باعث افزايش ظرفيت ويژه مي‌شود. همچنين مشاهده شد كه كاهش عيوب آنتي سايت نقش بيشتري در بهبود ظرفيت در نرخ‌هاي بالا نسبت به افزايش سطح ويژه دارد. همچنين با استفاده از آزمون امپدانس با اعمال نرخ C 10 سرعت نفوذ بهبود يافت. براي مواد سنتز شده با استفاده از گلايسين و گلوتاميك اسيد ظرفيت ويژه به دست آمده بسيار كمتر از لايسين بود كه دليل اين پديده با استفاده از نحوه‌ي تشكيل پيوند پپتايد در اين آمينواسيدها و بررسي عيوب آنتي سايت در ذرات بحث شده است. بالاترين ظرفيت ويژه در استفاده از آمينواسيدها در فرايند سولوترمال براي لايسين بوده كه ظرفيتي برابر با mAh.g-1 123 در نرخ C 2/0 از خود نشان داده است.

1399/09/07

An Examination on Microstructural and Electrochemical Properties of LiFePO4 Cathode Materials Synthesized by a Solvothermal Method

9/16/2020 12:00:00 AM

In the energy storage field, lithium-ion battery was known as the most important approach to decrease the environmental impacts of fossil fuels. Cathode materials are the most essential part of a lithium-ion battery, and LiFePO4 cathode materials have been used because of its significant cyclic stability and high theoretical capacity (170 mAh.g-1). A great deal of research was performed using a solvothermal method for the synthesis of LiFePO4 materials. Factors as precursors, pH of the solution, temperature, time, and additives can influence the properties of LiFePO4. In this study, various amino acids (i.e. Lysine, Glycine, and Glutamic acid) were introduced in the solvothermal synthesis of LiFePO4 to investigate the morphology and electrochemical characteristics of LiFePO4. Adding Lysine in the solvothermal method led to a decrease in particle size and antisite defects of LiFePO4 materials. One extra amine group in the molecular structure of Lysine induces an increase in the pH of the solvothermal solution and forming of peptide bonds during the synthesis process. The priority of decrement in antisite defects over the increment of specific surface area for increasing the specific capacity of LiFePO4 was discussed. In addition, the electrochemical kinetics of the LiFePO4 powders improved following cycling at 10C rate as shown by electrochemical impedance spectroscopy. For the synthesized materials using Glycine and Glutamic acid, specific capacity was much lower than the Lysine sample; these results were discussed by the formation mechanism of peptide bonds in such amino acids and examination of antisite defects. The highest specific capacity in various amino acids was achieved for Lysine with 123 mAh.g-1 at a 0.2 C rate.